美国俄亥俄州小学科学教材的特色分析及其启示

摘要 美国俄亥俄州小学科学教材设计以符合学生认知水平的建构主义理论为基础，注重科学思维方法与实验探究技能的培养，设计多元化的科学课程评价方式。该教材对我国基础教育科学课程改革的启示是：促进学生科学学习基本规律的研究，构建匹配学生认知水平的科学课程，加强科学思维方法与实验探究技能学习的系统性，提供实施教学评价的可操作性指导。

关  键  词 美国俄亥俄州小学科学 科学教育 思维方法 探究技能 教学评价 科学教材

引用格式 王晨光.美国俄亥俄州小学科学教材的特色分析及其启示[J].教学与管理，2023（17）：72-76.

《美国俄亥俄州小学科学》（Science Ohio Edition，简称SOE）是美国俄亥俄州为小学阶段学生学习科学课程设计和开发的一套教材，基于认知心理学、建构主义理论，通过“做中学”引导学生主动汲取相关科学概念，促进科学学科核心素养的形成。美国自20世纪80年代提出“2061计划”，到90年代《美国国家科学教育标准》（National Science Education Standards），再到迈入21世纪颁布的《美国下一代科学标准》（Next Generation Science Standards，简称NGSS），SOE整套教材体现了美国基础教育科学课程改革的走向，同时结合俄亥俄州本地特点，使得其在研究与实践进程中不断提升改进[1]。本文从教材的结构与内容入手，剖析其建构特点，同时结合我国基础教育阶段科学课程现状进行探讨，期望为我国科学教育提供借鉴参考。

一、SOE教材概述

1. SOE教材的内容与结构

SOE教材“做中学”的重要观念是围绕对科学本质的理解展开的，学生不仅要知道“是什么（科学事实、一般概念）”，而且要理解“怎么做（科学思维、探究技能）”。SOE教材共有37个主题章节（见表1），在涵盖三大基本科学领域以及相关知识内容系统的同时，每一主题章节也渗透了对于科学思维方法与实验探究技能的培养。

SOE科学教材还配有教师用书、实验工具箱、活动手册、科学读本、视频录像等一系列丰富的教学资源。教师用书作为SOE教材重要的组成部分，体现了教材编写团队的设计理念与教育智慧，其为教师提供了每册教材的主题章节概要介绍、实验探究活动指导、背景知识扩展、课程安排计划、评价实施细则等详尽的教学指导与内容参考；实验工具箱囊括了学生在学习活动中所需要的全部实验材料；活动手册不仅包括实验记录单，而且配有科学重要概念与词汇卡、科学透视图等内容，帮助学生加深对科学规律与本质的理解；科学读本、视频录像等资源作为教材内容的补充，给予学生更多体验科学魅力、拓展科学视野的机会，也为今后的学习活动做好准备。

2. SOE教材的教学活动组织

SOE教材通过主题章节的形式展现教学内容，各章节均围绕核心概念指导学生有序开展科学探究。同时贯彻5E教育理念，即参与（Engage）、探索（Explore）、解释（Explain）、评估（Evaluate）、拓展（Extend），把控教学活动各个环节，进而为科学知识的学习，科学思维方法与实验探究技能的培养保驾护航。SOE教材相信“少而精”的教学内容是有效的，每册教学内容均安排了10～12周的教学时长，以便让学生有充分的时间开展科学探究活动。

以四年级“生命王国”为例，此主题章节共有“细胞”“生物分类”“植物王国”“种子植物如何繁殖”四课。开篇以位于俄亥俄州的库雅荷加谷国家公园作为导入，介绍了本地的典型植物。其中第一课“细胞”，围绕“细胞是所有生物的基本组成单位”这一核心概念，通过一条联系紧密的问题链引导学生参与讨论，激发他们的学习兴趣。学生在探究活动中通过分析、比较、概括等思维过程逐渐形成“细胞”“氧气”“有机体”“组织”“器官”等分解概念，进而对细胞的特点进行解释，在评估环节鼓励学生归纳植物与动物细胞的相同点与不同点，最后通过拓展实验“植物如何运输水分”强化探究技能——观察[2]。

二、SOE教材的建構特点

1.重视教学过程的针对性和有效性

SOE教材的突出特点是充分考虑到了教材与学生认知发展水平的契合度，在教材内容的选取及对思维技能的训练上，都伴随着学生年龄的增长而在难度要求上有所提高，这为他们提供了与其认知发展水平相匹配的学习活动，进而确保SOE教材在教学实施过程中的针对性与有效性。

例如，在生命科学领域（见表2），其教材内容由一、二年级主要围绕植物与动物等较为常见且具体的科学事实，发展到三、四年级探索关于生态系统、能量金字塔等一般规律，再到五、六年级提升到对于细胞、出芽生殖等更为抽象的概念学习。在实验探究方面，一、二年级主要为观察生活中常见的动植物，通过对其典型特征的描述进行相关科学概念的学习；升入三、四年级，随着内容的深入，实验活动在基于对一般现象的观察、描述基础上，融入了分类，测量，制作图表、模型等较为复杂的操作技能，侧重对记录收集到的信息进行分析、比较等认知思维的培养，进而加深对相关概念的理解；进入五、六年级，随着学生认知水平的提升，学习活动也逐渐向推断与预测、识别与变量控制、形成与验证假设、实验实施与结果分析等操作技能方面倾斜，重在加强综合、概括、归纳等高阶思维方法的培养，有助于增进学生理解更为抽象的科学概念[3]。尽管各年级在组织科学探究活动时都会经历观察、提问、假设等环节，但在不同阶段所侧重培养的思维方法与操作技能是有所区别的，SOE教材在设计上旨在帮助学生逐步掌握观察、测量、分类等科学方法，促进具体形象思维向抽象逻辑思维发展，以不断提升科学素养水平，进而为今后更高层次的学习奠定良好基础。

2. 注重科学思维方法与实验探究技能的培养

SOE教材关注学生对于科学概念的理解，相信科学思维方法与实验探究技能是学习科学的基础。因此，教材特别注重对于学生的思维品质与科学能力的培养。

首先，SOE教材不仅在实验活动中指导学生学习形成假设、建立模型等科学方法，而且专门设置了“像科学家一样”栏目板块，旨在帮助学生从整体上系统理解并掌握探究过程中所必须具备的一些最基本的思维方法与操作技能。例如，在该栏目板塊下设置的四年级学习内容“洪水对环境的影响”。河水可以把大量的物质从一个地方搬运到另一个地方，这些物质包括一些矿产和岩石碎片。当洪水侵蚀河岸时，这些物质将去向何处？学生根据这一情境，结合之前学习的内容，形成假设：“如果洪水泛滥，那么水中的物质可能会沉积。”在验证假设环节，制作模拟河流两岸土地的模型，将混有土壤和砂砾的“洪水”倒入中间的“河流”中，观察“洪水”流向，并绘制出“受涝”区域。隔日，再次观察并记录“受涝”区域的变化，并描述土地上的沉积物。学生在这一过程中会认识到在科学研究中，经常会通过建立模型来演示现象或阐述原理。其间也会不断对模型进行修改完善，这有助于引导学生理解科学家在科学研究过程中，需要不断对模型进行修正调整，使之更接近于真实情况。在得出结论环节回答：“当洪水泛滥时，你的土地发生了什么变化？”推理思考“洪水对于土地周围的植物、动物以及农民产生了怎样的影响？”学生经历了“提出问题（观察分析）—形成假设（推断预测）—验证假设（建立模型）—得出结论（交流表达）”的科学过程，思维方法与探究技能将得到巩固提升，同时对于模型思想在科学研究中的作用也会有更为深刻的理解。

其次，SOE教材希望为学生的思维发展提供更多帮助。教材提供了形式多样的实验活动记录单以及教师在教学过程中所需分发的相关内容反馈文档。而学生想要解决的问题一定不会局限于教材之中，自主探寻解决方案是必经之路[4]。当他们置身于自身感兴趣的科学领域进行深度学习时，那些鲜活生动且更具创新性的想法也会跃然纸上。尽管这种超出教材范畴的学习活动会让一线教师难以把控，但也为学生在接触和探索未知科学问题方面提供了更多可能。另外，为引导学生提升解决问题的能力，SOE教材还专门设置了“技能拓展”栏目，其穿插于不同章节之中，旨在帮助学生如何设计并开展实验研究，同时提供了“观察”“预测”“分类”“测量”等一系列专项训练，以促使学生能更好地掌握相关思维方法与操作技能，有助于理解其对于推动科学研究发展所产生的重要意义[5]。

最后，SOE教材关注思维培养的关键点以提升学生元认知水平。元认知是个体对自身认知活动的组织和调控。有研究表明，元认知水平的高低对于个体思维能力的发展起着重要作用，将思维训练与元认知训练相结合，有利于产生良好的迁移效果[6]。鉴于此，SOE教材十分关注培养学生元认知发展的机会，进而促使他们对于自身思维过程的组织与调控。教材在多个章节中都设置了反思活动，鼓励学生在科学探究活动中思考遇到的问题或挑战，导致这些阻碍的因素有哪些，以往的活动中是否遇到过相似的困难等，让学生对自身的思考过程进行自主整理、控制和调节，并循序渐进形成为一种优良的思维品质。

3. 强调科学课程评价方式的系统性与丰富性

《美国下一代科学标准》提出：“评价不是单一检测学生对所学具体科学事实的记忆量，而是考查学生是否具备解决科学问题的能力。例如，利用模型计划并展开调查、分析和阐述数据、建立解释并设计解决方案、获取并交流信息等。”因此，SOE教材提供了系统且丰富的评价方式，以便更为客观地了解学生在科学思维与探究技能方面得到了哪些提升。

SOE教材认为系统性的评价方式有助于全面、真实地体现学生学业水平。为此，教材以学生学习的视角对其进行了划分：第一类是直观摘要，包括某个科学主题下的知识、概念、原理等内容，要求学生制作一张可折叠的学习指导卡片，归纳概括其对这一科学主题的理解；第二类是实验研究与调查能力，包括实验设计、操作实施、信息收集、数据处理等方面，要求学生用一句完整的陈述句回答实验活动中出现的问题，并解释是如何解决的；第三类是基准实践，包括观察判断、特征分类、筛选排序、描述推断等方面，要求学生运用所积累的科学经验以及掌握的科学方法解决相关问题，并能在新情境中进行迁移运用。

考虑到学生思维方式和认知水平在不同年龄阶段会有所差异，SOE教材在评价体系的设计上也力图与学生的认知能力发展相契合。在小学一、二年级，评价主要采用教师观察和提问相结合的形式，同时引导学生开展一些简单的科学概念绘画或描述等；三至六年级的评价方式则更为丰富，包括学习反馈单、表现性评价项目、自我评价、文档包以及终结评价任务等。这种分学段的评价设计策略能够更具针对性地匹配不同年级学生的认知特点以及学习需求。其中，表现性评价（Performance Assessment）侧重考查学生在真实情境中动手操作或解释问题的能力[7]。以四年级“生命王国”为例，为评价学生对细胞的掌握情况，教师会让学生利用食物制作植物叶片细胞模型，并要求学生对每个结构进行标识。教师通过观察学生的制作过程以及完成情况，了解学生是否掌握细胞的形态、功能等相关内容。而在某一特定科学内容学习任务完成以后，学生需要填写“学习反馈单”，目的是考查学生针对某一科学问题的分析解释能力，进而评价学生的知识应用、问题解析、语言表达等技能水平。

三、SOE教材对我国基础教育科学课程改革的启示

1.构建符合学生认知特点的科学课程

SOE教材的设计思想是在持续科学研究基础上，经过悉心编排使其合理应用于课程之中。例如，一年级学生往往以自己实际看到的现象来形容物体的运动，而难以进行量化描述；三年级学生会运用测量与对比相结合的方式描述物体的相对位置；五年级学生则可以利用图表与模型来理解物体的运动变化，并能用符号加以表示。SOE教材依据儿童认知发展理论，利用学习进阶将“运动与能量”主题融入各个学段，确保了学生学习该主题的合理性。

通过对SOE教材的分析可以看出，科学课程的构建要符合学生的认知发展水平。我国义务教育科学课程应持续深入推进有关科学教育教学的实证研究，掌握学生在科学课程学习中的发展规律，针对不同学段特点选取适宜的学习内容，构建与学生核心素养发展相契合的科学课程，进而有效落实各学段学生核心素养的培养目标。

2.强化科学思维方法与实验探究技能学习的系统性

SOE教材不仅要求学生理解科学基本概念与原理，而且要求其掌握一系列的科学思维方法以及实验探究技能。当前，我国《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确提出：“科学课程要将科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等核心素养的培养有机融入学科核心概念的学习过程中。”并且在学科核心概念分解成若干学习内容中有所体现，例如，在学科核心概念“宇宙中的地球”学习内容下设计了制作月球表面模型，构建由八颗行星组成的太阳系模型等学习活动，加深学生对于建模思想的理解与应用[8]。

我国义务教育科学课程中的这些精心设计，都为学生思维品质的培养与实践技能的训练提供了良好的机会，但这一学习过程通常依托于特定科学事实的教学，容易引起重知识、轻方法的问题，对于科学思维方法与实验探究技能的学习缺乏系统性，导致学生难以将其迁移到新情境或运用于实际生活中。与此同时，学生科学创新精神应该怎样培养，也是课程改革一直重视和强调的关键问题。但创新也要基于相关的思维方法与实践能力，而当前我国义务教育阶段的科学课程，对于这部分内容的系统性学习还有待完善。因此，在中小学科学课程中加强科学思维方法与实验探究技能的系统设计，有助于增进学生在学习过程中对科学本质的理解。

3.提供实施教学评价的可操作性指导

SOE教材希望教师只要按照指导组织教学，就可以实现预期的教学效果。因此，无论对于教学还是评价，SOE教材都为教师提供了详尽且有针对性的指导帮助。例如，在教学评价的理论层面，SOE教材参照了美国国家科学教育标准中关于评价的要求，以及美国国家教育进展评价（National Assessment of Education Progress，简称NAEP）的经验，结合俄亥俄州本地教育特色，选取适宜的评价维度与方式，同时制定详细的评价标准，进而搭建了更为合理的教学评价体系。在实践层面，SOE教材配有教师用书，对一线教师在实施教学评价的过程中给予可操作性指导，包括何时进行评价、采取何种方式实施评价、依据什么标准展开评价等多方面内容。教师可根据评价指导直接在课堂教学中应用，以便及时获取课程学习中學生的真实反馈。

在教学评价方面，我国科学教育与SOE教材有诸多相通的评价理念，旨在以课程目标与学业质量标准为依据，建构素养导向的综合评价体系，实现以评价改进和优化教学的目标。但实际情况是仍有很多一线教师对于如何把课程评价有效落实到教学中存在困惑。因此，我国应更具针对性地对科学教师在实施教学评价的过程中提供可操作性指导，逐步搭建并改进教学评价体系，以推进科学课程评价在基础教育阶段的有效落实。

SOE教材利用先进教育理论与大量实证研究作为理论依据，围绕科学核心概念搭建内容框架，以科学探究为主线进行教学活动设计，通过详尽的课程指导与丰富的配套资源，为探究活动的顺利开展提供保障。我国基础教育科学课程可以学习借鉴SOE教材在科学思维方法的培养、实验探究技能的训练、科学教育评价体系的建构等方面的经验，不断改进课程实施过程中出现的不足，进而为发展学生核心素养提供有力支持。

参考文献

[1] National Research Council. A Framework for K-12 Science Education：Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas [M].Washington，D.C.： The National Academies Press，2011：23-39.

[2] 王晨光.围绕核心概念组织小学科学单元教学设计[J].教学与管理，2021（06）：60-63.

[3] 朱永新.新教育实验关于新科学教育的思考[J].中国教育科学，2019（04）：109-120.

[4] Amaral， E.M.R， Silva， J.R，& Sabino， J.D. Analyzing process of conceptualization for students in lessons on substance from the emergence of conceptual profile zones[J]. Chemistry Education Research and Practice，2018（19）：1010-1028.

[5] 王晨光.基于科学素养的小学科学课堂教学策略改进[J].现代中小学教育，2018（10）：61-65.

[6] 李伟，赵生宝.国外思维技能教学特点分析及其启示[J].当代教育科学，2011（11）：57-59.

[7] Polikoff， M.S.，Nan Zhou， Shauna， E.C. Methodological choices in the Content Analysis of Textbooks for Measuring Alignment with Standards[J]. Educational Measurement Issues and Practice，2015（03）：10-17.

[8] 中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2022：120-128.

［责任编辑：郭振玲］